Dans certains matériaux, il existe des phases entre lesquelles une transition n'est pas possible car elles sont protégées par une certaine forme de symétrie. Les physiciens les appellent des phases topologiques. Un exemple en est la phase Haldane, du nom du lauréat du prix Nobel de physique 2016 Duncan Haldane, qui se produit dans les chaînes spin-1 antiferromagnétiques. Une équipe de chercheurs du MPQ a maintenant réussi à rendre compte de cet état exotique de la matière dans un système simple d'atomes ultrafroids. À l'aide d'un microscope à gaz quantique, ils ont amené les spins atomiques dans la forme souhaitée, mesuré les propriétés du système et ainsi trouvé l'ordre interne caché typique de la phase Haldane. Leurs résultats sont publiés dans Nature .

Toute matière se produit dans différentes phases, qui peuvent se fondre les unes dans les autres. Un exemple de ceci est l'eau, qui existe sous forme liquide, comme de la glace ou de la vapeur, selon les conditions extérieures. Les différentes phases physiques ont la même composition chimique, mais un degré différent d'ordre interne. Si la température ou la pression change, par exemple, l'eau passe dans une phase différente à un certain point. Or, dans certains matériaux, il existe des phases entre lesquelles une transition n'est pas possible car elles sont protégées par une certaine forme de symétrie, propriété du système qui reste ainsi inchangée, par exemple lors d'une réflexion ou d'une rotation. Ce n'est qu'en brisant la symétrie qu'une transition de phase est possible. Les physiciens appellent cela des phases topologiques, dont l'étude ces dernières années a conduit à une meilleure compréhension de la structure des systèmes quantiques.

Mesure de la phase Haldane

Jusqu'à présent, ces propriétés n'étaient presque accessibles que dans des modèles et des calculs théoriques ou par des mesures indirectes sur des solides. Mais maintenant, une équipe de chercheurs de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) à Garching a réussi à générer un type spécial et exemplaire de phase topologique en laboratoire et à l'analyser expérimentalement. Les scientifiques du département MPQ des systèmes quantiques à plusieurs corps, dirigé par le professeur Immanuel Bloch et le Dr Timon Hilker, ont créé une phase dite Haldane. Il porte le nom du physicien britannique Duncan Haldane, qui a décrit pour la première fois les phases topologiques des systèmes quantiques et a reçu le prix Nobel de physique en 2016 avec deux autres chercheurs.

Haldane a concentré son attention, entre autres, sur l'existence possible d'une phase topologique dans une chaîne de particules de spin-1 antiferromagnétiques. Un spin est une propriété mécanique quantique d'une particule telle que des électrons ou des atomes, qui peut être interprétée de manière simple comme le moment cinétique de la particule lorsqu'elle tourne autour de son propre axe. Dans un matériau antiferromagnétique, les spins préfèrent que d'autres spins aient un sens de rotation différent dans leur voisinage immédiat.

Cela peut conduire à un ordre périodique des spins, qui est cependant invisible dans les systèmes spin-1 dans les mesures classiques. La prédiction théorique disait qu'il y a pourtant un ordre, mais qu'il est « caché ». Pour le détecter, tous les spins devraient être mesurés individuellement et simultanément, ce qui n'est pas possible dans les solides. Mais les chercheurs du MPQ ont utilisé des matériaux artificiels dans lesquels les spins sont beaucoup plus éloignés. Ils y ont produit une chaîne spin-1 avec les caractéristiques décrites par Haldane.

L'astuce avec les paires de spins

"Jusqu'à présent, c'était difficile à réaliser", explique Sarah Hirthe. C'est pourquoi le doctorat. candidate au MPQ, avec son collègue Dominik Bourgund et d'autres membres de l'équipe de Garching, ont eu recours à une astuce :"Nous avons créé une chaîne de spin-1 de manière indirecte en la construisant à partir de spins de valeur ½, dont nous ajouté deux chacun », explique Bourgund. De cette façon, des cellules avec un spin entier ont été créées et alignées dans une chaîne.

Pour réaliser cette structure particulière, l'équipe a utilisé un microscope à gaz dit quantique. Un tel dispositif peut être utilisé, par exemple, pour étudier les propriétés magnétiques d'atomes individuels qui ont été préalablement disposés d'une certaine manière. Les scientifiques parlent donc aussi d'un simulateur quantique, avec lequel la matière est artificiellement construite à partir de ses briques élémentaires. "Pour ce faire, nous utilisons des ondes stationnaires de lumière laser qui forment une sorte de réseau pour les atomes", explique Sarah Hirthe. Ce réseau est ensuite façonné dans la forme souhaitée à l'aide d'autres lasers et d'innombrables petits miroirs mobiles.

"Pour les expériences sur la phase topologique Haldane, nous avons placé des atomes dans un tel réseau optique bidimensionnel", rapporte le physicien. "Dans le vide et à une température proche du zéro absolu, les atomes se sont alors disposés exactement de la manière dictée par la lumière." Les chercheurs ont choisi une structure en treillis qui donnait aux atomes, ainsi qu'à leurs spins, la forme d'une échelle, avec deux "jambes" et des "échelons" entre les deux. "Les échelons de ces échelles dites de Fermi-Hubbard reliaient chacun deux spins atomiques pour former des cellules unitaires de spin 1", explique Dominik Bourgund. "Dans cet arrangement, nous utilisions un concept connu en physique théorique sous le nom de modèle AKLT."

Une échelle atomique avec des rotations de bord "pendantes"

"Le point culminant de l'expérience était que nous avons spécialement adapté les bords du système", explique Hirthe :les deux jambes de l'échelle quantique étaient décalées l'une de l'autre d'un atome. De cette manière, les spins demi-entiers des atomes pourraient être combinés dans un décalage diagonal pour former des cellules unitaires. La conséquence de cette forme :des spins individuels sans partenaire direct "pendus" aux deux extrémités du système - appelés états de bord dans le jargon technique. "De tels spins et leurs moments magnétiques peuvent prendre différentes orientations sans aucun apport d'énergie supplémentaire", explique Dominik Bourgund. De cette façon, ils confèrent au système des propriétés caractéristiques basées sur la symétrie particulière - les caractéristiques typiques de la phase Haldane. À titre de comparaison, les chercheurs de Max Planck ont ​​également créé une phase topologique "triviale" sans états de bord.

Pour analyser les caractéristiques des deux phases, les scientifiques ont mesuré la magnétisation des spins individuels et du système entier de tous les atomes le long d'une chaîne mentale sous le microscope à gaz quantique. Ce n'est qu'ainsi qu'il était possible de trouver l'ordre interne "caché" prédit. "Nos résultats confirment les propriétés topologiques attendues à la fois du système global et des états de bord", note Timon Hilker, qui dirige le projet. "Cela montre :nous avons rendu la structure complexe accessible aux mesures grâce à un système simple."

Une base solide pour l'informatique quantique ?

Avec leurs résultats, les chercheurs de Max Planck n'ont pas seulement jeté les bases d'une vérification expérimentale des prédictions théoriques sur les phases topologiques. Leurs nouvelles découvertes pourraient également trouver une application pratique à l'avenir, dans les ordinateurs quantiques. Leur fonction est basée sur des "qubits", des unités de calcul fondamentales sous la forme d'états quantiques. Le défaut dans la réalisation technique jusqu'à présent est leur faible stabilité :si les qubits perdent de leur valeur, les données sont également perdues. S'ils pouvaient être représentés par des phases topologiques, qui sont assez robustes contre les interférences externes en raison de leur lien étroit avec une symétrie fondamentale, cela pourrait simplifier considérablement le calcul avec un ordinateur quantique. + Explorer plus loin

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